若干小尺度体系中相干光学效应的研究

论文摘要

介观物理的研究,尤其是小尺度（如纳米,分子尺度）物理效应的研究无论是对量子物理、统计物理和经典物理等基本问题的理解,还是对于新型电光器件、量子信息处理和集成光路等新型的技术革新都有非常重要的意义。本论文主要针对玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensate,简称BEC）和金属纳米结构两种小尺度体系展开研究,得到了原子玻色-爱因斯坦凝聚光缔合过程的量子相干统计特性和表面等离激元（Surface Plasmons,简称SPs）的新型有效激发机制——电子束激发。为我们以后研究介观尺度的物理效应,特别是集成等离激元电路和基于表面等离激元的量子信息处理等方面提供了有力的支持。本论文的代表性工作及结果如下:（1）在原子BEC光缔合体系中,我们采用了线性化双线性耦合的平均场近似方法,得到了原子和分子场随时间演化的解析解,从而在原子初始态为经典相干态和非经典压缩态两种情况下,分析了在该过程中原子和分子的量子统计特性。对于我们理解光缔合过程的量子相干效应和实现量子态的调控有潜在应用。（2）我们针对实际等离子光子学（Plasmonics）应用中至今没有解决的重要问题——定点产生表面等离激元,提出了一个实际可行的方案。即在平面金属薄膜、平面介质腔、金属纳米线和金属纳米链中能通过电子束高效激发表面等离激元,并且得到了表面等离激元在可见和近红外波段的产生几率高达每个电子激发单表面等离激元。从而为应用电子束轰击的方法产生表面等离激元提供了完善的理论支持。（3）我们系统研究了电子束在金属纳米圆环结构中产生anapole表面等离激元,表明电子束不但能有效产生传播表面等离激元,同样能产生新型的局域表面等离激元。这属于在介观尺度再现微观尺度的电磁特性,对以后化学和生物方面的研究有重要意义。以上有关若干小尺度体系光学相干特性的研究,如原子BEC光缔合过程中的量子统计动力学特性,金属纳米结构中表面等离激元的新型激发方式,不仅为以后进一步研究介观尺度下的量子效应打下基础,而且具有重要的应用参考价值,尤其是后者,将对微纳尺度电光信息转换技术的构建有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 原子BEC光缔合
• 1.1.1 玻色-爱因斯坦凝聚
• 1.1.2 原子BEC光缔合与平均场理论
• 1.2 表面等离激元的传播与激发
• 1.2.1 金属的表面等离共振模式
• 1.2.2 表面等离激元光学激发与新式电子束激发机理
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 BEC双色光缔合相干过程研究
• 2.1 量子统计动力学的相关理论基础
• 2.1.1 相干态和压缩态
• 2.1.2 Mandel Q因子、压缩系数和互关联函数
• 2.2 BEC双色光缔合平均场近似下的解析解
• 2.3 BEC双色光缔合相干动力学过程
• 2.3.1 BEC原子初始态为相干态的情况
• 2.3.2 BEC原子初始态为压缩态的情况
• 2.4 本章小结
• 第三章 电子束在三明治结构中有效激发传播表面等离激元
• 3.1 电子束在三明治结构中激发表面等离激元的解析解
• 3.1.1 金属材料的光学响应
• 3.1.2 电子束激发表面等离激元的解析解
• 3.2 三明治结构中传播表面等离激元的有效激发
• 3.2.1 电子束在真空金属薄膜中激发表面等离激元
• 3.2.2 电子束在介质衬底金属薄膜上中激发表面等离激元
• 3.2.3 电子束在金属-介质-金属波导中激发表面等离激元
• 3.3 本章小结
• 第四章 纳米结构（线、链、环）中表面等离激元的电子束激发
• 4.1 电子束在任意结构中激发表面等离激元的数值方法
• 4.1.1 边界元方法（BEM）
• 4.1.2 多极展开多弹性散射方法（MESME）
• 4.2 电子束在纳米线和纳米粒子链中激发传播表面等离激元
• 4.2.1 电子束在无限长纳米线中激发传播表面等离激元
• 4.2.2 电子束在有限长纳米线中激发传播表面等离激元
• 4.2.3 电子束在金属纳米粒子链中激发传播表面等离激元
• 4.3 电子束在纳米圆环结构中激发局域表面等离激元
• 4.3.1 Anapole简介
• 4.3.2 电子束在金属中产生anapole表面等离激元
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历